液壓支架試驗(yàn)臺(tái)外加載試驗(yàn)技術(shù)研究

液壓支架試驗(yàn)臺(tái)外加載試驗(yàn)技術(shù)研究

支撐塊試驗(yàn)臺(tái)是一種設(shè)備，用于對(duì)支撐塊的外觀、外觀和力學(xué)特性進(jìn)行分析。根據(jù)負(fù)荷加載方式，分為室內(nèi)加載和室外加載。在相似性方面,外加載試驗(yàn)方法更符合液壓支架在井下的使用工況;在標(biāo)準(zhǔn)符合性方面,外加載試驗(yàn)方法滿足GB25974.1—2010關(guān)于液壓支架讓縮性能和復(fù)合加載試驗(yàn)的要求隨著液壓支架支撐高度和工作阻力的不斷提高,出現(xiàn)了最大支撐高度達(dá)8.8m、工作阻力達(dá)26000kN的超大采高液壓支架。GB25974.1—2010也對(duì)液壓支架安全性能和可靠性提出了更高要求,現(xiàn)有的液壓支架內(nèi)加載試驗(yàn)技術(shù)已不能滿足液壓支架技術(shù)發(fā)展的需求;因此,研究液壓支架試驗(yàn)臺(tái)外加載試驗(yàn)技術(shù),對(duì)于提升我國(guó)煤炭行業(yè)液壓支架科學(xué)試驗(yàn)水平和促進(jìn)液壓支架技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。1外部加載試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)外加載試驗(yàn)系統(tǒng)包括垂直外加載、水平外加載、側(cè)向外加載及泵站系統(tǒng)。1.1比例方向閥控制垂直載荷是被試支架承受的主要載荷,分為加載、保壓與卸載3個(gè)階段。垂直外加載工作原理如圖1所示。執(zhí)行元件采用大缸徑、重載柱塞液壓缸(缸徑大于700mm、單缸輸出載荷超過(guò)10000kN),系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)比例方向閥,通過(guò)高精度位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集各個(gè)加載液壓缸的高度值并分析對(duì)比高度偏差,將該偏差反饋給工控機(jī),對(duì)比例方向閥的開(kāi)度進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)4個(gè)液壓缸局部流量獨(dú)立控制,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)高度偏差,保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性;采用液控單向閥進(jìn)行系統(tǒng)保壓,通過(guò)比例溢流閥進(jìn)行系統(tǒng)卸載。加載過(guò)程采用液壓同步閉環(huán)控制方式垂直加載完畢后,進(jìn)入保壓過(guò)程,通過(guò)液壓缸進(jìn)液管路中設(shè)置的液控單項(xiàng)閥4,實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏保壓。保壓結(jié)束后,進(jìn)入卸載過(guò)程,通過(guò)斜坡泄壓,即反向逐漸開(kāi)啟比例方向閥2,同時(shí)加以調(diào)平控制,實(shí)現(xiàn)垂直外加載液壓缸7緩慢泄壓回落,避免了液壓支架在重力和回彈壓力作用下快速下落造成的壓力沖擊。1.2回液加載系統(tǒng)由于液壓支架自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和摩擦的存在,頂板對(duì)支架產(chǎn)生一個(gè)指向煤壁或采空區(qū)的水平載荷,與垂直載荷及摩擦因數(shù)有關(guān),一般為垂直載荷的0.3倍水平外加載過(guò)程也分為加載、保壓和卸載3個(gè)階段,加載原理如圖2所示。執(zhí)行元件采用4個(gè)柱塞液壓缸,布置于水平加載平臺(tái)左右兩側(cè),2個(gè)為1組;通過(guò)由插裝閥、梭閥及電磁換向閥組成的換向閥組控制左右2組柱塞液壓缸的動(dòng)作;閥組中通過(guò)比例溢流閥進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)壓,當(dāng)系統(tǒng)壓力高于比例溢流閥設(shè)定壓力時(shí),溢流閥開(kāi)啟進(jìn)行溢流,使系統(tǒng)穩(wěn)定在預(yù)設(shè)壓力范圍內(nèi),結(jié)合壓力傳感器,實(shí)現(xiàn)不同加載載荷的控制;同時(shí)設(shè)置安全閥,對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行終極保護(hù);卸載通過(guò)回液插裝閥,實(shí)現(xiàn)泄壓。工作時(shí),電液換向閥4右端電磁鐵帶電,壓力油經(jīng)過(guò)插裝閥2.1從左側(cè)進(jìn)入左面2個(gè)加載缸,右面加載缸腔的油經(jīng)過(guò)插裝閥5.2從右側(cè)回油箱;加載行程通過(guò)位移傳感器11控制,發(fā)訊停止后,右端電磁鐵斷電復(fù)位,插裝閥將左右2組加載缸油腔封閉,進(jìn)入保壓狀態(tài);保壓完畢后,插裝閥5.1或5.2開(kāi)啟,系統(tǒng)泄壓;泄壓完成后,電磁換向閥左端電磁鐵帶電,油液通過(guò)插裝閥2.2從右側(cè)進(jìn)入右工作缸,左工作缸在液壓支架試驗(yàn)臺(tái)立柱13的限位作用下實(shí)現(xiàn)回程,1個(gè)水平加載工作循環(huán)結(jié)束。1.3側(cè)向加載試驗(yàn)側(cè)向載荷是工作面液壓支架之間相互作用產(chǎn)生的橫向載荷,作用力一般較小,但對(duì)支架產(chǎn)生傾倒力矩,影響支架的橫向穩(wěn)定性。側(cè)向加載工作原理如圖3所示。泵站采用葉片泵供液,執(zhí)行元件采用小缸徑活塞缸,布置方式與水平外加載類似,位于試驗(yàn)臺(tái)左右兩側(cè),2個(gè)為1組;采用開(kāi)環(huán)控制方式,通過(guò)2組電液換向閥1控制2組4個(gè)側(cè)向加載液壓缸3的加載動(dòng)作,節(jié)流單向閥2控制加載速度,并輔以位置傳感器(行程開(kāi)關(guān))5和壓力繼電器4對(duì)液壓缸的極限位置和工作壓力進(jìn)行保護(hù)。1.4水泵及泵站液壓控制原理泵站是整個(gè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力核心,主要由比例變量泵站和雙聯(lián)葉片泵站及輔助液壓閥構(gòu)成。垂直和水平外加載試驗(yàn)系統(tǒng)的執(zhí)行元件數(shù)量多、功率大且速度要求控制精確、動(dòng)作要求同步,因此選用A4VSO125EO2比例變量柱塞泵供液,以實(shí)現(xiàn)額定工作壓力下流量的精確控制;側(cè)向外加載系統(tǒng)壓力低、功率小,對(duì)精度和同步要求不高,故選用葉片泵供液。泵站液壓控制原理如圖4所示,通過(guò)電液換向閥調(diào)節(jié)變量柱塞泵斜盤傾角進(jìn)行排量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量在額定工作壓力下的無(wú)級(jí)調(diào)速,系統(tǒng)壓力通過(guò)先導(dǎo)式電磁溢流閥5.1進(jìn)行調(diào)節(jié),系統(tǒng)最高工作壓力為25MPa;葉片泵選用雙聯(lián)結(jié)構(gòu)形式,由2個(gè)不同流量的泵組成,大流量泵為側(cè)向外加載系統(tǒng)供液,小流量泵與比例變量柱塞泵的電液換向機(jī)構(gòu)連接,進(jìn)行斜盤傾角的調(diào)節(jié)。2外加載試驗(yàn)系統(tǒng)垂直外加載、水平外加載和側(cè)向外加載試驗(yàn)系統(tǒng)的布置方式對(duì)液壓支架試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式和外形尺寸有著重要影響。3個(gè)外加載系統(tǒng)分別布置在試驗(yàn)臺(tái)x、y、z軸上,施加的載荷在空間上為正交力系,且各自獨(dú)立控制,實(shí)現(xiàn)被試支架三維復(fù)合加載。垂直外加載系統(tǒng)載荷方向沿試驗(yàn)臺(tái)的z軸,布置方式可以采用上置式或下置式,上置式即將外加載試驗(yàn)系統(tǒng)布置在支架試驗(yàn)平臺(tái)的上方,外載力作用于支架的頂梁;下置式即將外加載試驗(yàn)系統(tǒng)布置在支架試驗(yàn)平臺(tái)的下方,外載力作用于支架的底座。2種方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。下置式可將垂直加載液壓缸內(nèi)置于試驗(yàn)臺(tái)底座中,外載力向上作用于垂直加載平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)被試液壓支架垂直外加載,該方式將增加底座的結(jié)構(gòu)高度,由于底座置于地平面以下,雖然增加了基礎(chǔ)的深度,但也減小了試驗(yàn)臺(tái)地面之上的高度;同時(shí)垂直外加載液壓缸可采用結(jié)構(gòu)形式更為簡(jiǎn)單的單作用柱塞缸,通過(guò)垂直加載平臺(tái)的自重實(shí)現(xiàn)回程。上置式也可將垂直加載液壓缸內(nèi)置于試驗(yàn)臺(tái)上加載活動(dòng)平臺(tái)中,外載力向下作用于活動(dòng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)被試液壓支架垂直外加載。該方式將增加上平臺(tái)的結(jié)構(gòu)高度,使得試驗(yàn)臺(tái)地面之上的高度增加,而且垂直外加載液壓缸不能選用單作用柱塞缸,只能采用雙作用活塞缸,對(duì)于大缸徑、重載液壓缸,增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)成本。水平外加載系統(tǒng)載荷方向沿試驗(yàn)臺(tái)的y軸,布置于試驗(yàn)臺(tái)水平加載平臺(tái)左右兩側(cè),4個(gè)柱塞式水平外加載缸2個(gè)1組分別作用于試驗(yàn)臺(tái)立柱左右兩側(cè),通過(guò)反作用力使水平加載平臺(tái)向左右運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)被試液壓支架水平外加載。側(cè)向外加載系統(tǒng)載荷方向沿試驗(yàn)臺(tái)的x軸,布置于活動(dòng)平臺(tái)左右兩側(cè),由4個(gè)活塞式側(cè)向外加載缸(左右各2個(gè))實(shí)現(xiàn)對(duì)被試液壓支架側(cè)向外加載。3外加載液壓缸主動(dòng)加載試驗(yàn)該外加載試驗(yàn)技術(shù)已成功應(yīng)用于煤科院支護(hù)中心液壓支架試驗(yàn)臺(tái),樣機(jī)如圖5所示。垂直外加載系統(tǒng)基本保持恒速外載輸出,通過(guò)液壓缸同步技術(shù),實(shí)現(xiàn)了垂直加載液壓缸同步偏差小于3mm。按照標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)某強(qiáng)力液壓支架進(jìn)行了外加載壽命試驗(yàn)和讓縮性能試驗(yàn):試驗(yàn)高度分別為支架調(diào)高范圍的高、中、低3處,在額定工作壓力42.8MPa下進(jìn)行下沉試驗(yàn),下沉量大于100mm,下沉速度小于100mm/min高位讓壓性能試驗(yàn)曲線如圖6所示。由圖6可以看出,通過(guò)垂直外加載液壓缸的主動(dòng)加載,在41.0MPa時(shí),安全閥逐漸開(kāi)啟,在42.8MPa時(shí),安全閥完全開(kāi)啟穩(wěn)定溢流,支架開(kāi)始讓縮下沉,下沉量100mm歷時(shí)約192s,滿足了GB25974.1關(guān)于被試支架讓縮性能試驗(yàn)的要求。垂直外加載液壓缸主動(dòng)加載時(shí),引起立柱下腔壓力發(fā)生變化,立柱下腔壓力變化如圖7所示。由圖7可以看出,被試液壓支架從額定初撐力31.5MPa達(dá)到額定工作阻力42.8MPa,歷時(shí)約45s,此時(shí)安全閥穩(wěn)定溢流,支架開(kāi)始讓縮保護(hù)。通過(guò)試驗(yàn)可知,垂直外加載試驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了液壓支架的外加載壽命試驗(yàn)和讓縮性能試驗(yàn),滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,模擬了頂板下沉來(lái)壓的使用工況。4局部外加載技術(shù)(1)在液壓執(zhí)行元件上,采用大缸徑、重載荷柱塞液壓缸技術(shù),實(shí)現(xiàn)了單缸千噸以上載荷輸出;(2)